Vent en surface

Météo

Introduction

Le vent est une grandeur vectorielle tridimensionnelle mais, pour les besoins météorologiques courants, on ne s’intéresse qu’à sa projection sur un plan horizontal. En un point donné, le vecteur vent est la somme d’un vecteur à peu près stable représentant l’écoule ment moyen de l’air (vent moyen) et d’un vecteur soumis à des variations aléatoires rapides (rafales).

Sa détermination nécessite l’emploi de deux appareils :

— une girouette permet le repérage de l’angle que fait la direction d’où vient le vent avec la direction du nord géographique ; cet angle, compté dans le sens des aiguilles d’une montre, est exprimé en degrés, mais chiffré en dizaines de degrés : 01, 02, ..., 36 ;

— un anémomètre fournit le module du vecteur vent (appelé vitesse ou force du vent ) ; on l’exprime en mètres par seconde ou en noeuds. Pour s’affranchir de l’influence du sol, on expose les capteurs à 10 m de hauteur en un lieu bien dégagé ; les distances les séparant de tous obstacles ne devraient pas être inférieures à 10 fois la hauteur de ces derniers.

Nota : 1 noeud = 0,515 m/s.

En météorologie, pour les besoins synoptiques, la vitesse et la direction du vent sont des moyennes établies sur une période de 10 minutes. Ces moyennes sont généralement complétées par la mesure de la pointe maximale du vent. Pour les anémomètres, la constante de temps varie en raison inverse de la vitesse du vent.

On définit plutôt la constante de distance qui est le produit de la constante de temps par la vitesse du vent et est telle que l’instrument indique environ 63 % de la variation à un échelon de la vitesse du vent. Cette constante de distance (de valeur typique 3 m pour les anémomètres les plus courants) est légèrement plus grande à la décélération qu’à l’accélération.

Ceci induit une surestimation qui peut atteindre 10 % de la vitesse moyenne. Les appareils les plus modernes comportent une électronique de traitement à base de microprocesseur, directement au niveau du capteur. Cela permet une transmission numérique des informations élaborées sur une sortie qui peut être complètement isolée de l’extérieur grâce à un modem. Certains appareils possèdent même une alimentation électrique autonome sur panneau solaire, de façon à s’affranchir des surtensions électriques parasites qui peuvent être créées par la foudre.

Anémomètres

Anémomètres à moulinet ou à hélice

Ce sont les plus répandus (figure 14).

Figure 14 – Anémomètre à moulinet

Le capteur primaire (moulinet ou hélice), dont la vitesse de rotation est fonction de la vitesse du vent, entraîne généralement un disque crénelé. Un détecteur optique ou magnétique compte le nombre d’impulsions générées par le disque en rotation et mesure donc le nombre de tours effectués.

Les hélices à axe horizontal doivent être perpendiculaires à la direction du vent, aussi sont-elles toujours associées à un support orientable ; elles ont trois ou quatre pales. Les appareils à hélice mesurent donc aussi la direction du vent. Ils sont moins précis que les appareils à moulinet.

De nombreux anémomètres fabriqués en France utilisent le même moulinet, fabriqué à partir du même moule. Ce moulinet est en polyamide chargé de fibre de verre pour en assurer la solidité. Il pèse 165 g et a une constante de distance (sans frottements mécaniques du transducteur) de 3,5 m. Il possède 3 coupelles munies d’un bourrelet annulaire destiné à rendre sa réponse à l’accélération et à la décélération aussi symétrique que possible.

Le seuil de démarrage est conditionné par la longueur du bras de levier (distance de l’axe de rotation au centre de la coupelle) et la qualité des roulements de l’axe mécanique supportant le moulinet. Les moulinets dont les bras de levier sont importants sont les plus sensibles, mais ils sont aussi les plus fragiles et ne conviennent pas pour la mesure des vents forts.

Le rapport entre le bras de levier et le diamètre de la coupelle du moulinet décrit plus haut est voisin de 1. Le seuil de démarrage est alors compris entre 0,3 et 0,7 m/s suivant la réalisation de l’anémomètre. Les dimensions géométriques de ce moulinet conduisent à une réponse très simple de 1 tour par m/s.

La sortie électrique des anémomètres est généralement une fréquence, parfois une tension électrique.

la gamme de mesure usuelle est de 0,5 à 80 m/s. La précision de mesure usuelle, en régime établi, est de 5 % de la valeur mesurée ou ± 0,5 m/s.

Certains anémomètres sont particulièrement conçus pour une application très spécifique. Ainsi, l’anémomètre montagne à réchauffage est très robuste, il est conçu pour résister à des conditions sévères de givrage. Un anémomètre commercialisé en Allemagne (Albin Sprenger KG) possède une suspension magnétique (électroaimant et aimant) de l’axe du moulinet qui n’est ainsi en contact mécanique avec aucune pièce. Cet artifice permet d’obtenir un seuil de démarrage de quelques cm/s.

Anémomètres statiques

Ces appareils fonctionnent suivant le principe du tube de Pitot. Ils sont peu sensibles aux basses vitesses (au-dessous de 5 m/s) mais sont quelquefois employés dans les zones à fort givrage, leur protection contre des dépôts de givre par chauffage étant relativement aisée.

Anémomètres à fil chaud

Ils sont fondés sur la loi de King, qui établit une relation semi empirique entre le flux de chaleur perdu par un fil chauffé et la vitesse de circulation de l’air dans lequel il est plongé. L’influence de la température sur la réponse de ces capteurs est très importante. On la compense par des circuits électroniques. L’intérêt de ces anémomètres réside surtout dans leur très large domaine de mesure (de quelques centimètres par seconde à 100 m/s) et dans leur très faible inertie (réponse inférieure à 1 s). Ils ne sont pas utilisés pour des mesures de réseau.

Anémomètres à ultrasons

Ces appareils utilisent le principe de mesure de la vitesse de propagation du son dans l’air. Cette vitesse dépend de la température de l’air et de la composante longitudinale du vent dans la direction considérée.

Trois couples d’émetteur/récepteur sont placés dans des directions orthogonales et mesurent chacun une composante du vent. Alternativement, l’onde sonore est envoyée dans un sens et en sens opposé, en inversant l’émetteur et le récepteur. Cela permet, par soustraction, de s’affranchir de l’influence de la température sur la vitesse du son. Ces appareils indiquent alors les 3 composantes du vent. L’électronique de calcul est associée directement au niveau du capteur qui fournit une sortie numérique. La cadence de mesure peut être très rapide, jusqu’à 10 mesures par seconde. Leur seuil de détection est très faible, de l’ordre de quelques centimètres par seconde.

Girouettes

Elles comprennent (figure 15) :

Figure 15 – Girouette

— une pièce (appelée drapeau ), mobile autour d’un axe vertical et qui s’oriente toujours dans le lit du vent ;

— un dispositif de recopie à distance de l’angle formé par le drapeau et la direction du nord géographique.

La forme et les caractéristiques géométriques du capteur primaire conditionnent les performances de la girouette. De multiples empennages ont été développés :

en forme de dièdre, de cylindre, de profilés divers, etc.

Mais l’expérience montre que les queues d’orientation de longueur suffisante (au moins 30 cm), munies d’une simple plaque, donnent de bons résultats. Le transmetteur peut être un codeur angulaire solidaire de l’axe du capteur ; l’information est alors fournie directement sous forme numérique.

On trouve aussi des systèmes de recopie angulaire par synchromoteur (Selsyn). Ce procédé est surtout employé dans les girouettes installées sur les navires. Plus communément, l’axe mobile entraîne un curseur mettant en circuit une série de 18 ou 36 résistances. Ainsi, pour chaque direction du vent, il existe une valeur ohmique déterminée. Le montage électrique, qui se comporte comme un rhéostat, comprend, outre les résistances électriques, une source de tension stable et un galvanomètre (ou un voltmètre). Les valeurs des résistances sont ajustées pour que les courants parcourant le circuit soient distribués d’une manière linéaire en fonction des directions.

Certaines girouettes bénéficient d’un montage potentiométrique ; toutes les résistances ont alors la même valeur, mais le circuit comporte 3 conducteurs de liaison.

On emploie quelquefois des potentiomètres sans coupure. Ces éléments comprennent deux curseurs à 90o et un circuit de détermination du cadran en service. Lorsque la queue d’orientation oscille dans la zone de coupure, les lectures sont difficiles à faire, voire impossibles, compte tenu des déplacements incessants de l’aiguille ou du défilement des chiffres. On y remédie partiellement en plaçant un dispositif d’amortissement hydraulique sur l’axe du transmetteur ou en dotant l’appareil d’un système de recouvrement mettant en service un certain nombre de directions complémentaires.